KR100634588B1 - 영구자석 동기모터 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
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    • H02P21/06—Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors

Abstract

본 발명의 실시예에 의한 영구자석 동기모터 제어시스템은, 상기 영구자석 동기모터의 절대 각 위치를 검출하여 해당하는 신호를 출력하는 위치 검출부; 상기 위치 검출장치의 신호에 기초하여 회전속도를 산출하는 회전속도 산출부; 회전속도 지령값과 상기 산출된 회전속도의 차이에 기초하여 토크 지령을 생성하는 속도 제어기; 상기 속도 제어기로부터 상기 토크 지령을 입력받고 상기 회전속도 산출부로부터 상기 회전속도를 입력받고, 상기 토크지령과 상기 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기; 상기 영구자석 동기모터로 유입되는 구동전류와 상기 위치 검출부의 신호에 기초하여 q-축 전류와 d-축 전류를 산출하는 삼상/d-q 좌표 변환기; q-축 전압 지령과 d-축 전압 지령을 각각 산출하는 전류 제어기; 상기 q-축 전압 지령과 상기 d-축 전압 지령을 삼상 전압 지령으로 변환하는 d-q/삼상 좌표 변환기; 및 상기 삼상 전압 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기모터를 구동하기 위한 구동전압을 출력하는 인버터를 포함하는 것이 바람직하다.
영구자석, 동기모터, 삼상, q-축, d-축, 맵 데이터

Description

영구자석 동기모터 제어시스템 및 제어방법{CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}
도1은 본 발명의 실시예에 의한 영구자석 동기모터 제어시스템을 간략히 보여주는 구성도이다.
도2는 도1의 제어시스템의 전류 지령 생성기를 보여주는 도면이다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 영구자석 동기모터 제어방법을 보여주는 순서도이다.
도4는 도3에서 전류 지령 데이터를 선택하는 과정을 보여주는 순서도이다.
도5는 도3에서 선택된 전류 지령 데이터에 기초하여 전류 지령을 산출하는 과정을 보여주는 순서도이다.
도6은 전류 지령 데이터의 구조를 보여주는 도면이다.
도7 및 도8은 전류 지령 데이터를 예시적으로 보여주는 도면이다.
본 발명은 영구자석 동기모터 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
매입형 영구자석 동기모터(interior permanent magnet synchronous motor, IPMSM)는 회전자 철심 내부에 영구자석이 삽입된 방식의 동기모터이다.
이러한 매입형 영구자석 동기모터는, 고속 내구력 및 고속 운전성이 우수하여 하이브리드 전기자동차용 모터로 사용되기에 적합한 특성을 가진다.
또한, 매입형 영구자석 동기모터는 릴럭턴스 토크(reluctance torque)의 추가 존재로 인하여 고출력 밀도를 이룰 수 있으며 파라미터 비선형성이 존재하게 된다.
이러한 매입형 영구자석 동기모터에서는, 통상의 전자기 토크와 그 고유한 릴럭턴스 토크의 합성 토크가 최대가 되도록 모터 전류가 선정되고, 단위전류 당 최대 토크가 출력되도록 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 고속 영역에서 출력 특성 및 운전성 확보를 위해 약계자 제어(flux weakening control)가 필요하고, 파라미터 비선형성의 조건 하에서 토크 제어 정밀도를 확보하는 것이 요구된다.
종래의 영구자석 동기모터 제어방법에서는, 모터의 모델을 기준으로 제어량을 연산하고 이를 기초로 제어가 수행된다.
즉, 최대 토크 운전을 위한 전류 인가각(θ)이 계산되고, 약계자 제어를 위해서 약계자 피드백(feedback) 루프 또는 자속 지령 피드포워드(feedforward) 방식의 제어가 적용된다.
그러나, 모터 파라미터의 비선형성에 의해 연산 결과에 오차가 발생하기 때문에, 성능 불균일 및 제어 정밀도가 저하되는 문제가 있다.
또한, 제어를 위한 연산량이 과다하여 실제 구현이 곤란한 문제가 있다.
나아가, 종래의 모터 모델 기준 제어로는, 영구자석 동기모터의 특성을 고려하는 것이 곤란하므로, 최대 토크 운전 성능 확보 및 균일한 약계자 운전 성능의 확보가 곤란한 문제가 있다.
본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 최대 토크 운전 성능 및 약계자 운전 성능을 효과적으로 수행할 수 있는 영구자석 동기모터 제어시스템 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 영구자석 동기모터(permanent magnet synchronous motor)를 제어하는 영구자석 동기모터 제어시스템은,
상기 영구자석 동기모터의 절대 각 위치를 검출하여 해당하는 신호를 출력하는 위치 검출부;
상기 위치 검출장치의 신호에 기초하여 회전속도를 산출하는 회전속도 산출부;
회전속도 지령값과 상기 산출된 회전속도의 차이에 기초하여 토크 지령을 생성하는 속도 제어기;
상기 속도 제어기로부터 상기 토크 지령을 입력받고 상기 회전속도 산출부로부터 상기 회전속도를 입력받고, 기설정된 구동 전류 지령 데이터 및 기설정된 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나에 기초하여 상기 토크지령과 상기 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기;
상기 영구자석 동기모터로 유입되는 구동전류와 상기 위치 검출부의 신호에 기초하여 q-축 전류와 d-축 전류를 산출하는 삼상/d-q 좌표 변환기;
상기 q-축 전류 지령과 상기 q-축 전류의 차이 및 상기 d-축 전류 지령과 상기 d-축 전류의 차이에 기초하여 q-축 전압 지령과 d-축 전압 지령을 각각 산출하는 전류 제어기;
상기 q-축 전압 지령과 상기 d-축 전압 지령을 삼상 전압 지령으로 변환하는 d-q/삼상 좌표 변환기; 및
상기 삼상 전압 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기모터를 구동하기 위한 구동전압을 출력하는 인버터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에 기초하여 상기 구동 전류 지령 데이터와 상기 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 선택된 데이터를 기초로 보간법을 수행하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-출 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 것이 바람직하다.
상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터는, 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터를 포함하고,
상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터는, 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
상기 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하고,
상기 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
상기 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 선택된 구동 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 회전속도가 0 보다 크고 상기 토크 지령은 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 선택된 발전 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 회전속도가 0 보다 크지 아니하고 상기 토크 지령은 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상 기 선택된 발전 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 선택된 구동 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 회전속도가 0 보다 작은 경우에는, 상기 선택된 데이터로부터 산출된 q-축 전류 지령에 -1을 곱한 값을 상기 q-축 전류 지령으로 생성하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성기는, 상기 토크 지령이 설정된 최대 토크값 보다 큰 경우에는 상기 토크 지령을 상기 최대 토크값으로 갱신한 후 상기 갱신된 토크 지령과 상기 회전속도에서의 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 의한 영구자석 동기모터 제어방법은,
영구자석 동기모터의 절대 각 위치를 검출하는 단계;
상기 검출된 절대 각 위치에 기초하여 회전속도를 산출하는 단계;
회전속도 지령값과 상기 산출된 회전속도의 차이에 기초하여 토크 지령을 생 성하는 단계;
기설정된 구동 전류 지령 데이터 및 기설정된 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나에 기초하여 상기 토크 지령과 상기 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성단계;
상기 영구자석 동기모터로 유입되는 구동전류와 상기 검출된 절대 각 위치에 기초하여 q-축 전류와 d-축 전류를 산출하는 단계;
상기 q-축 전류 지령과 상기 q-축 전류의 차이 및 상기 d-축 전류 지령과 상기 d-축 전류의 차이에 기초하여 q-축 전압 지령과 d-축 전압 지령을 각각 산출하는 단계;
상기 q-축 전압 지령과 상기 d-축 전압 지령을 삼상 전압 지령으로 변환하는 단계; 및
상기 변환된 삼상 전압 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기모터를 구동하는 구동전압을 출력하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 생성단계는,
상기 토크 지령 및 상기 회전속도에 기초하여 상기 구동 전류 지령 데이터와 상기 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택하는 데이터 선택 단계; 및
상기 선택된 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 산출하는 전류 지령 산출단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전류 지령 산출단계는,
상기 선택된 데이터를 기초로 보간법을 통하여 상기 토크 지령과 상기 회전속도에 대응하는 d-축 전류 지령을 산출하는 d-축 전류 지령 산출단계; 및
상기 선택된 데이터를 기초로 보간법을 통하여 상기 토크 지령과 상기 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령을 산출하는 q-축 전류 지령 산출단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터는, 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터를 포함하고,
상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터는, 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
상기 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하고,
상기 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
상기 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하는 것이 바람직하다.
삭제
삭제
상기 데이터 선택단계는,
상기 토크 지령이 설정된 최대 토크값 보다 큰 경우에는 상기 토크 지령을 상기 설정된 최대 토크값으로 설정하고, 상기 토크 지령이 상기 설정된 최대 토크값 보다 크지 아니한 경우에는 상기 토크 지령을 유지하는 단계;
상기 회전속도가 0 보다 큰지를 판단하는 단계;
상기 토크 지령이 0 보다 큰지를 판단하는 단계; 및
상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 회전속도는 0 보다 크고 상기 토크 지령은 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 회전속도는 0 보다 크지 아니하고 상기 토크 지령은 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
삭제
삭제
상기 q-축 전류 지령 산출단계는, 상기 회전속도가 0 보다 작은 경우에 상기 보간법을 통해서 산출된 q-축 전류 지령에 -1을 곱한 값에 의해 상기 q-축 전류 지령을 산출하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.
도1에서, 도면번호 11은 영구자석 동기모터(permanent magnet synchronous motor)를 나타낸다. 예를 들어, 영구자석 동기모터(11)는, 매입형 영구자석 동기모 터(interior permanent magnet synchronous motor, IPMSM)일 수 있다.
위치 검출부(13)는, 영구자석 동기모터(11)의 절대 각 위치(absolute angular position, θ)를 검출한다. 절대 각 위치는 영구자석 동기모터(11)로 전류가 인가되는 각 위치(angular position)를 의미한다. 이러한, 절대 각 위치의 산출은 본 발명이 속하는 분야에서 자명하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
예를 들어, 위치 검출부(13)는 레졸버(resolver)로 할 수 있다. 이하에서, 도면번호 13은 레졸버로 칭하기로 한다.
전류 검출기(current detector)(15)는 PWM 인버터(PWM inverter)(17)의 출력전압(Vus, Vvs, Vws)에 의해 영구자석 동기모터(11)로 유입되는 전류(i us, ivs)를 검출한다.
삼상/d-q 좌표 변환기(three phase/d-q coordinate converter)(19)는 레졸버(13)로부터 입력되는 절대 각 위치(θ)를 이용하여 전류 검출기(15)로부터 입력되는 전류를 q-축 전류(torque split current, iq)(즉, 토크분 전류)와 d-축 전류(magnetic flux split current, id)(즉, 자속분 전류)로 변환한다.
회전속도 산출기(angular velocity calculator)(21)는 레졸버(13)로부터 출력되는 절대 각 위치(θ)에 기초하여 회전속도(ωr)를 산출한다. 예를 들어, 회전속도 산출기(21)는 미분기(differentiator)를 포함할 수 있다.
감산기(subtracter)(23)는 회전속도 지령값(ωr *)과 상기 산출된 회전속도(ωr) 사이의 회전속도 차이를 산출한다.
속도 제어기(velocity controller)(25)는 감산기(23)에 의해 산출된 회전속도 차이를 입력 받으며 입력된 회전속도 차이에 해당하는 토크 지령(Te *)을 출력한다.
예를 들어, 속도 제어기(25)는 비례 적분 제어기(Proportional Integration controller; PI controller)를 포함할 수 있다.
전류 지령 생성기(current command generator)(27)는 속도 제어기(25)로부터 토크 지령(Te *)을 입력받고 회전속도 산출기(21)로부터 회전속도(ωr)를 입력받는다.
전류 지령 생성기(27)는 기설정된 구동 전류 지령 데이터 및 기설정된 발전 전류 데이터 중 어느 하나에 기초하여 상기 토크 지령과 상기 회전속도에 대응하는 토크분 전류 지령(q-축 전류 지령)(torque split current command, iq *)과 자속분 전류 지령(d-축 전류 지령)(magnetic flux split current command, id *)을 생성한다.
기설정된 구동 전류 지령 데이터는 기설정된 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 d-축 전류 지령 데이터를 포함하고, 기설정된 발전 전류 지령 데이터는 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터를 포함 한다.
구동 전류 지령 데이터는 영구자석 동기모터(11)가 구동모드(motoring mode)로 작동하는 경우의 전류 지령을 산출하기 위한 데이터이며, 발전 전류 지령 데이터는 영구자석 동기모터(11)가 발전모드(generating mode)로 작동하는 경우의 전류 지령을 산출하기 위한 데이터이다.
기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터는 영구자석 동기모터(11)가 구동모드(motoring mode)로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고, 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터는 영구자석 동기모터(11)가 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함한다.
기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터는 영구자석 동기모터(11)가 발전모드(generating mode)로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고, 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터는 영구자석 동기모터(11)가 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함한다.
상기와 같은 발전시의 q-축 및 d-축 전류 지령 데이터와 구동시의 q-축 및 d-축 전류 지령 데이터는 실험을 통해서 설정될 수 있다. 예를 들어, 양방향 다이나모미터(dynamometer)를 사용하여 토크 및 회전속도 별로 최적의 q-축 전류 지령 과 d-축 전류 지령이 실험을 통해서 산출될 수 있다. 이때, q-축 전류 지령 및 d-축 전류 지령은, 최대 토크 운전(maximum torque per ampere, MTPA)과 고속에서의 약계자 제어(flux weakening control)가 가능하도록 설정되는 것이 바람직하다.
도7 및 도8에는 실험을 통해서 산출된 전류 지령 데이터의 예가 도시되어 있다. 도7은 구동 시의 q-축 전류 지령 데이터이며, 도8은 구동시의 d-축 전류 지령 데이터이다.
도2를 참조하여, 전류 지령 생성기(27)가 q-축 전류 지령(iq *)과 d-축 전류 지령(id *)을 생성하는 과정을 설명한다.
전류 지령 생성기(27)는 토크 지령이 설정된 최대 토크값 이하가 되도록 제한하는 토크 제한기(27a)를 포함한다.
설정된 최대 토크값은 해당 모터가 정상 출력 영역에서 작동할 수 있는 최대 토크값이며 회전속도 별로 정해지는 것이 바람직하다.
입력된 토크 지령(Te *)이 설정된 최대 토크값 보다 큰 경우에, 토크 제한기(27a)는 토크 지령(Te *)을 설정된 최대 토크값으로 설정한다.
그리고, 전류 지령 생성기(27)는 맵 데이터 선택 로직(logic)을 통해 구동 전류 지령 데이터와 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택한다.
이때, 맵 데이터 선택 로직은, 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에 기초하여 상기 구동 전류 지령 데이터와 상기 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 회전속도와 토크 지령 모두가 0 보다 큰 경우에는 기설정된 구동 전류 지령 데이터가 선택되고, 회전속도가 0 보다 크고 토크 지령은 0 보다 크지 아니한 경우에는 기설정된 발전 전류 지령 데이터가 선택되며, 회전속도가 0 보다 크지 아니하고 토크 지령은 0 보다 큰 경우에는 기설정된 발전 전류 지령 데이터가 선택되고, 회전속도와 토크 지령 모두가 0 보다 크지 아니한 경우에는 기설정된 구동 전류 지령 데이터가 선택된다.
한편, 전류 지령 생성기(27)는, 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터, 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터, 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터, 및 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터를 기초로 입력된 토크 지령과 회전속도에 해당하는 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 생성한다.
그리고, 전류 지령 생성기(27)는 선택된 데이터에 기초하여 생성된 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령이 출력되도록 하는 제1멀티플렉서(first multiplexer)(27b)와 제2멀티플렉서(second multiplexer)(27c)를 포함한다.
제1멀티플렉서(27b)는 맵 데이터 선택 로직으로부터 선택신호를 수신하여 선택된 데이터에 기초하여 생성된 q-축 전류 지령이 출력되도록 한다.
유사하게, 제2멀티플렉서(27c)는 맵 데이터 선택 로직으로부터 선택신호를 수신하여 선택된 데이터에 기초하여 생성된 d-축 전류 지령이 출력되도록 한다.
결과적으로, 전류 지령 생성기(27)는 토크 지령 및 회전속도에 기초하여 구 동 전류 지령 데이터와 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 데이터에 기초하여 산출된 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 출력한다.
감산기(subtracter)(31)는 전류 지령 생성기(27)로부터 입력되는 q-축 전류 지령(iq *)과 삼상/d-q 좌표 변환기(19)로부터 입력되는 q-축 전류(iq)의 차이를 산출한다.
감산기(subtracter)(33)는 전류 지령 생성기(27)로부터 입력되는 d-축 전류 지령(id *)과 삼상/d-q 좌표 변환기(19)로부터 입력되는 d-축 전류(id)의 차이를 산출한다.
전류 제어기(current controller)(35)는 q-축 전류 제어기(q-axis current controller)(37)와 d-축 전류 제어기(d-axis current controller)(39)를 포함한다.
q-축 전류 제어기(37)는 감산기(31)로부터 입력되는 q-축 전류 지령(iq *)과 q-축 전류(iq)의 차이를 기초로 q-축 전압 지령(Vsq *)을 생성한다.
q-축 전류 제어기(37)는 비례 적분 제어기(Proportional Integration controller; PI controller)를 포함할 수 있다.
d-축 전류 제어기(39)는 감산기(33)로부터 입력되는 d-축 전류 지령(id *)과 d-축 전류(id)의 차이를 기초로 d-축 전압 지령(Vsd *)을 생성한다.
d-축 전류 제어기(39)는 비례 적분 제어기(Proportional Integration controller; PI controller)를 포함할 수 있다.
d-q/삼상 좌표 변환기(d-q/three phase coordinate converter)(41)는, 절대 각 위치(θ)를 이용하여 q-축 전압 지령(Vsq *)과 d-축 전압 지령(Vsd *)을 삼상 전압 지령(Vus *, Vvs *, Vws *)으로 변환한다.
PWM 인버터(17)는 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM)를 수행하고, 그에 따라 출력전압(Vus, Vvs, Vws)이 영구자석 동기모터(11)에 인가된다.
이하에서, 첨부된 도3 내지 도5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 영구자석 동기모터 제어방법에 대해 설명한다.
도3에 도시된 바와 같이, 우선, 레졸버(13)는 의해 영구자석 동기모터(11)의 절대 각 위치(θ)를 검출한다(S310).
S320 단계에서, 회전속도 산출부(21)는, 상기 검출된 절대 각 위치에 기초하여 회전속도(ωr)를 산출한다.
그리고, 속도 제어기(25)는, 회전속도 지령값(ωr *)과 상기 산출된 회전속도(ωr)의 차이에 기초하여 토크 지령(Te *)을 생성한다(S330).
전류 지령 생성기(27)는, 기설정된 구동 전류 지령 데이터 및 기설정된 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나에 기초하여 상기 토크 지령(Te *)과 상기 회전속도(ωr)에 대응하는 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 생성한다(S340).
상기한 바와 같이, 기설정된 구동 전류 지령 데이터는 기설정된 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 d-축 전류 지령 데이터를 포함하고, 기설정된 발전 전류 지령 데이터는 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터를 포함한다.
전류 지령을 생성하는 S340 단계는, 토크 지령(Te *) 및 회전속도(ωr)에 기초하여 구동 전류 지령 데이터와 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택하는 데이터 선택 단계(S341)와, 선택된 데이터에 기초하여 토크 지령(Te *) 및 회전속도(ωr)에서의 q-축 전류 지령(iq *)과 d-축 전류 지령(id *)을 산출하는 전류 지령 산출단계(S343)를 포함한다.
데이터 선택 단계(S341)는 도4에 도시되어 있다.
우선, 토크 지령이 설정된 최대 토크값(최대 정출력) 이하의 값이 되도록 토크 지령이 제한된다(S401). 즉, 토크 지령이 설정된 최대 토크값 보다 큰 경우에는 토크 지령이 설정된 최대 토크값으로 설정된다. 이때, 토크 지령이 설정된 최대 토크값 보다 크지 아니한 경우에는 토크 지령이 유지된다.
그리고 나서, 회전속도와 토크 지령에 기초하여 기설정된 구동 전류 지령 데 이터와 기설정된 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나가 선택된다.
S402 단계에서, 회전속도가 0 보다 큰지가 판단된다.
S402 단계에서 회전속도가 0 보다 큰 것으로 판단되면, q-축 전류 지령 산출 팩터(k)가 "1"로 설정된다(S403).
그리고 나서, S404 단계에서, 토크 지령이 0 보다 큰지가 판단된다.
S404 단계에서 토크 지령이 0 보다 큰 것으로 판단되면 구동 전류 지령 데이터(즉, 구동 q-축 전류 지령 데이터와 구동 d-축 전류 지령 데이터)가 선택되고(S405), S404 단계에서 토크 지령이 0 보다 크지 아니한 것으로 판단되면 발전 전류 지령 데이터(즉, 발전 q-축 전류 지령 데이터와 발전 d-축 전류 지령 데이터)가 선택된다(S406).
한편, S402 단계에서 회전속도가 0 보다 크지 아니한 것으로 판단되면, q-축 전류 지령 산출 팩터(k)가 "-1"로 설정된다(S407).
그리고 나서, S408 단계에서, 토크 지령이 0 보다 큰지가 판단된다.
S408 단계에서 토크 지령이 0 보다 큰 것으로 판단되면 발전 전류 지령 데이터(즉, 발전 q-축 전류 지령 데이터와 발전 d-축 전류 지령 데이터)가 선택되고(S409), S408 단계에서 토크 지령이 0 보다 크지 아니한 것으로 판단되면 구동 전류 지령 데이터(즉, 구동 q-축 전류 지령 데이터와 구동 d-축 전류 지령 데이터)가 선택된다(S410).
그리고, 전류 지령 산출단계(S343)는 도5에 도시되어 있다.
전류 지령 산출단계(S343)는, 선택된 데이터를 기초로 보간법을 통하여 토크 지령과 회전속도에 대응하는 d-축 전류 지령을 산출하는 단계와, 선택된 데이터를 기초로 보간법을 통하여 토크 지령과 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령을 산출하는 단계를 포함한다.
이하에서, 도6에 도시된 바와 같이 발전 q-축 전류 지령 데이터, 발전 d-축 전류 지령 데이터, 구동 q-축 전류 지령 데이터 및 구동 d-축 전류 지령 데이터 각각이 n개의 회전속도와 k개의 토크 지령에 대해 각각 설정된 전류지령값(n×k개)을 가지는 경우를 예로 들어 보간법에 의한 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령의 산출에 대해서 설명한다.
우선, 입력된 회전속도에 대한 기준 인덱스(index)(i)와 입력된 토크 지령에 대한 기준 인덱스(j)가 계산된다(S501).
기준 인덱스는 입력된 토크 지령의 인덱스와 입력된 회전속도의 인덱스를 초과하지 아니하는 최대의 정수로 산출될 수 있다.
예를 들어, 입력된 회전속도의 인덱스가 "0"부터 "8"까지의 9개의 인덱스 중 "5.1"에 해당하는 경우, 회전속도에 대한 기준 인덱스(i)는 "5"가 된다. 유사하게, 입력된 토크 지령의 인덱스가 "0"부터 "8"까지의 9개의 인덱스 중 "4.2"에 해당하는 경우, 토크 지령에 대한 기준 인덱스(j)는 "4"가 된다.
기준 인덱스가 계산되면, 선택된 d-축 전류 지령 데이터로부터 I(i,j), I(i+1, j), I(i, j+1), I(i+1, j+1)의 4개의 d-축 전류 지령이 추출된다(S502).
그리고 나서, 추출된 4개의 d-축 전류 지령에 기초하여 선형 보간법을 통하여 d-축 전류 지령이 산출된다(S503).
예를 들어, 현재 입력되어 있는 회전속도가 "x"이고 현재 입력되어 있는 토크 지령이 "y"인 경우, 해당하는 d-축 전류 지령(I(x,y))은 선형 보간법에 의해 다음의 식에 의한 값으로 계산될 수 있다.
[식]
Figure 112003050900382-pat00001
여기서,
Figure 112003050900382-pat00002
이고,
Figure 112006048887870-pat00003
Figure 112006048887870-pat00004
Figure 112006048887870-pat00005
유사한 방법으로, 기준 인덱스로부터 선택된 데이터로부터 4개의 q-축 전류 지령이 추출된다(S504).
그리고 나서, 추출된 4개의 q-축 전류 지령에 기초하여 선형 보간법을 통하여 q-축 전류 지령이 산출된다(S505).
그리고, 산출된 q-축 전류 지령에 S403 또는 S407 단계에서 산출된 q-축 전류 지령 산출 팩터(k)가 곱해진다(S506).
q-축 전류 지령 산출 팩터(k)가 곱해짐으로써, 회전속도의 부호(+ 또는 -)에 따라 토크의 방향이 조절되게 된다.
그리고, S350 단계에서, 삼상/d-q 좌표 변환기(19)는, 상기 영구자석 동기모터로 유입되는 구동전류와 상기 검출된 절대 각 위치에 기초하여 q-축 전류(iq)와 d-축 전류(id)를 산출한다.
전류 제어기(35)는, 상기 q-축 전류 지령(iq *)과 상기 q-축 전류(iq)의 차이 및 상기 d-축 전류 지령(id *)과 상기 d-축 전류(id)의 차이에 기초하여 q-축 전압 지령(Vsq *)과 d-축 전압 지령(Vsd *)을 각각 산출한다(S360).
d-q/삼상 좌표 변환기(41)는, 상기 q-축 전압 지령(Vsq *)과 상기 d-축 전압 지령(Vsd *)을 삼상 전압 지령(Vus *, Vvs * , Vws *)으로 변환한다(S370).
그리고, PWM 인버터(17)는, 상기 변환된 삼상 전압 지령(Vus *, Vvs *, Vws *)에 기초하여 상기 영구자석 동기모터를 구동하는 구동전압(Vus, Vvs, Vws)을 출력한다(S380).
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경 및/또는 수정을 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 의한 영구자석 동기모터 제어시스템 및 제어방법에 의하면, 기설정된 맵 데이터로부터 d-축 전류 지령과 q-축 전류 지령을 생성하므로 정밀한 토크제어가 가능해 지고 안정적인 고속 약계자 운전이 가능해 진다.
또한, 제어를 위한 연산의 부하가 감소하므로, 고성능 제어기의 사용이 없이도 안정적인 모터 제어가 가능해 진다.

Claims (18)

  1. 영구자석 동기모터(permanent magnet synchronous motor)를 제어하는 영구자석 동기모터 제어시스템에 있어서,
    상기 영구자석 동기모터의 절대 각 위치를 검출하여 해당하는 신호를 출력하는 위치 검출부;
    상기 위치 검출장치의 신호에 기초하여 회전속도를 산출하는 회전속도 산출부;
    회전속도 지령값과 상기 산출된 회전속도의 차이에 기초하여 토크 지령을 생성하는 속도 제어기;
    상기 속도 제어기로부터 상기 토크 지령을 입력받고 상기 회전속도 산출부로부터 상기 회전속도를 입력받고, 기설정된 구동 전류 지령 데이터 및 기설정된 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나에 기초하여 상기 토크지령과 상기 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기;
    상기 영구자석 동기모터로 유입되는 구동전류와 상기 위치 검출부의 신호에 기초하여 q-축 전류와 d-축 전류를 산출하는 삼상/d-q 좌표 변환기;
    상기 q-축 전류 지령과 상기 q-축 전류의 차이 및 상기 d-축 전류 지령과 상기 d-축 전류의 차이에 기초하여 q-축 전압 지령과 d-축 전압 지령을 각각 산출하는 전류 제어기;
    상기 q-축 전압 지령과 상기 d-축 전압 지령을 삼상 전압 지령으로 변환하는 d-q/삼상 좌표 변환기; 및
    상기 삼상 전압 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기모터를 구동하기 위한 구동전압을 출력하는 인버터
    를 포함하되,
    상기 전류 지령 생성기는,
    상기 토크 지령 및 상기 회전속도에 기초하여 상기 구동 전류 지령 데이터와 상기 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하고,
    상기 선택된 데이터를 기초로 보간법을 수행하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-출 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터는,
    기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터를 포함하고,
    상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터는,
    기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터를 포함하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
    상기 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하고,
    상기 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
    상기 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 전류 지령 생성기는,
    상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 선택된 구동 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 전류 지령 생성기는,
    상기 회전속도가 0 보다 크고 상기 토크 지령은 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 선택된 발전 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  7. 제1항에서,
    상기 전류 지령 생성기는,
    상기 회전속도가 0 보다 크지 아니하고 상기 토크 지령은 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 선택된 발전 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  8. 제1항에서,
    상기 전류 지령 생성기는,
    상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 선택된 구동 전류 지령 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에서,
    상기 전류 지령 생성기는,
    상기 회전속도가 0 보다 작은 경우에는, 상기 선택된 데이터로부터 산출된 q-축 전류 지령에 -1을 곱한 값을 상기 q-축 전류 지령으로 생성하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  11. 제1항에서,
    상기 전류 지령 생성기는,
    상기 토크 지령이 설정된 최대 토크값 보다 큰 경우에는 상기 토크 지령을 상기 최대 토크값으로 갱신한 후 상기 갱신된 토크 지령과 상기 회전속도에서의 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 생성하는 영구자석 동기모터 제어시스템.
  12. 영구자석 동기모터의 절대 각 위치를 검출하는 단계;
    상기 검출된 절대 각 위치에 기초하여 회전속도를 산출하는 단계;
    회전속도 지령값과 상기 산출된 회전속도의 차이에 기초하여 토크 지령을 생성하는 단계;
    기설정된 구동 전류 지령 데이터 및 기설정된 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나에 기초하여 상기 토크 지령과 상기 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령과 d-축 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성단계;
    상기 영구자석 동기모터로 유입되는 구동전류와 상기 검출된 절대 각 위치에 기초하여 q-축 전류와 d-축 전류를 산출하는 단계;
    상기 q-축 전류 지령과 상기 q-축 전류의 차이 및 상기 d-축 전류 지령과 상기 d-축 전류의 차이에 기초하여 q-축 전압 지령과 d-축 전압 지령을 각각 산출하는 단계;
    상기 q-축 전압 지령과 상기 d-축 전압 지령을 삼상 전압 지령으로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 삼상 전압 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기모터를 구동하는 구동전압을 출력하는 단계
    를 포함하되,
    상기 전류 지령 생성단계는,
    상기 토크 지령 및 상기 회전속도에 기초하여 상기 구동 전류 지령 데이터와 상기 발전 전류 지령 데이터 중 어느 하나를 선택하는 데이터 선택 단계; 및
    상기 선택된 데이터에 기초하여 상기 토크 지령 및 상기 회전속도에서의 상기 q-축 전류 지령과 상기 d-축 전류 지령을 산출하는 전류 지령 산출단계
    를 포함하고,
    상기 전류 지령 산출단계는,
    상기 선택된 데이터를 기초로 보간법을 통하여 상기 토크 지령과 상기 회전속도에 대응하는 d-축 전류 지령을 산출하는 d-축 전류 지령 산출단계; 및
    상기 선택된 데이터를 기초로 보간법을 통하여 상기 토크 지령과 상기 회전속도에 대응하는 q-축 전류 지령을 산출하는 q-축 전류 지령 산출단계
    를 포함하는 영구자석 동기모터 제어방법.
  13. 제12항에서,
    상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터는, 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터를 포함하고,
    상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터는, 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터와 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터를 포함하는 영구자석 동기모터 제어방법.
  14. 제13항에서,
    상기 기설정된 구동 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
    상기 기설정된 구동 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 구동모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하고,
    상기 기설정된 발전 q-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q-축 전류 지령값을 포함하고,
    상기 기설정된 발전 d-축 전류 지령 데이터는 상기 영구자석 동기모터가 상기 발전모드로 작동하는 경우에 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d-축 전류 지령값을 포함하는 영구자석 동기모터 제어방법.
  15. 삭제
  16. 제12항에서,
    상기 데이터 선택단계는,
    상기 토크 지령이 설정된 최대 토크값 보다 큰 경우에는 상기 토크 지령을 상기 설정된 최대 토크값으로 설정하고, 상기 토크 지령이 상기 설정된 최대 토크값 보다 크지 아니한 경우에는 상기 토크 지령을 유지하는 단계;
    상기 회전속도가 0 보다 큰지를 판단하는 단계;
    상기 토크 지령이 0 보다 큰지를 판단하는 단계; 및
    상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 회전속도는 0 보다 크고 상기 토크 지령은 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 회전속도는 0 보다 크지 아니하고 상기 토크 지령은 0 보다 큰 경우에는 상기 기설정된 발전 전류 지령 데이터를 선택하고, 상기 회전속도와 상기 토크 지령 모두가 0 보다 크지 아니한 경우에는 상기 기설정된 구동 전류 지령 데이터를 선택하는 단계
    를 포함하는 영구자석 동기모터 제어방법.
  17. 삭제
  18. 제12항에서,
    상기 q-축 전류 지령 산출단계는,
    상기 회전속도가 0 보다 작은 경우에 상기 보간법을 통해서 산출된 q-축 전류 지령에 -1을 곱한 값에 의해 상기 q-축 전류 지령을 산출하는 영구자석 동기모터 제어방법.
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